乳油是中國農藥傳統劑型之一,在農藥制劑中占據重要位置。但是為了提高農藥在制劑中的含量,乳油中需要添加苯、甲苯、二甲苯等芳烴類有機溶劑,以及甲醇、二甲基甲酰胺等極性有機溶劑,這些溶劑閃點低、揮發性強、毒性高、易燃易爆,不僅在運輸、貯存和使用中具有危險性,還可能對土壤、水體環境造成污染,對哺乳動物、水生生物和非靶標生物也存在危害。隨著對產品安全以及環境可持續化發展認識的不斷提高,乳油的登記數量在中國農藥制劑中所占比例逐年下降。因此,嚴格限制有害有機溶劑的使用、尋找綠色環保的替代溶劑,進一步提高制劑產品質量,是農藥乳油的發展趨勢。近年來,很多科研人員針對乳油中有害有機溶劑的替代進行了研究,希望能找到與傳統溶劑相比有相當的溶解性能,且更加低毒、安全的環境友好型溶劑,以改進乳油的安全性能。

本文著眼于乳油所面臨的問題及挑戰,詳細介紹了近年來有關環境友好型溶劑替代乳油中有害有機溶劑的研究進展,進一步結合COSMO-RS這種熱力學模型在溶劑快速篩選方面的優勢,提出了量化計算手段篩選乳油替代溶劑的可能性,旨在為乳油中有害有機溶劑的替代品研究提供參考。

1、農藥乳油的生產現狀及其優點

乳油對農藥原藥適用性較廣,凡是在有機溶劑中有較高溶解度的農藥有效成分均可制備成乳油,因此乳油產品在農藥制劑中占據著重要地位。然而,隨著社會對環境污染問題的逐漸關注,傳統乳油已無法滿足環境安全的要求。據統計,近年來乳油在主要農藥制劑產品中的占比已從2010年的65.6%下降到2018年的32.6%左右(表1),不過從表 1 也可以看出,2018年盡管新型農藥劑型的種類和占比明顯增加,但乳油仍然是占比最大的農藥制劑。

農藥乳油在農業生產當中發揮著重要作用。乳油組成成分簡單,一般情況下僅需要農藥原藥、有機溶劑和乳化劑3種組分,在反應釜緩慢攪拌即可制備,不需要復雜的設備,加工成本也相對較低；乳油生物活性高,其有效成分隨藥液可均勻地分布到作物表面,有較好的濕潤性和附著力,防治效果較高；另外,乳油貯存穩定性高,在使用時操作方便。因此,乳油雖存在環境和健康風險,但其自身優勢使得其市場占有率仍然非常可觀。

表1 我國主要農藥制劑產品在不同年份登記情況

2、乳油面臨的問題及挑戰

2.1 乳油中有機溶劑的使用現狀

農藥乳油中有機溶劑的含量約占制劑總質量的10%～90%,因此有機溶劑對制劑的有效性及安全性影響很大。20世紀末,中國在農藥制劑加工生產中,每年消耗甲苯、二甲苯等有機溶劑40萬噸,其中乳油加工中消耗量最多。近年來,隨著乳油產量的不斷壓縮,苯、甲苯、二甲苯、甲醇等有機溶劑的使用量有所降低,但仍在30萬噸以上,有機溶劑的大量使用可能會產生一系列的安全隱患,為此很多國家都出臺了關于農藥助劑中有機溶劑的管理政策和控制措施。

美國、歐盟等發達國家很早就禁止在乳油中使用甲苯、二甲苯、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)等有害有機溶劑,中國臺灣地區、日本、西班牙、德國以及歐盟等也提出了農藥產品中禁、限用的助劑及相關有害物質的限量名單；2014年,中國工信部出臺了HG/T 4576-2013《農藥乳油中有害溶劑限量》標準,對苯、甲苯、二甲苯、乙苯、甲醇、DMF 和萘等7種溶劑作了限量要求(見表2),與中國臺灣地區規定的農藥產品中有機溶劑的限量相比,中國工信部對乳油中有害溶劑限量標準的要求更加嚴格。

2015年中國農藥管理部門組織專家曾研討對甲醚、壬基酚等9 種禁用助劑和苯、甲苯等75種限用助劑加強管理,起草了《農藥助劑禁限用名單》(征求意見稿),但至今未發布,也表明對于助劑的危害,不能簡單地用“一禁了之”來解決,而是需要有相應的替代措施。

表2 中國農藥乳油中對有害溶劑的限量要求

2.2 乳油中有機溶劑的危害

乳油加工過程中通常需要加入大量的苯、甲苯、二甲苯、甲醇、二甲基甲酰胺等有機溶劑,此類有機溶劑隨著制劑產品的大量使用進入到生態系統中,不僅會污染環境水和土壤,還會影響土壤微生物和水生生物的多樣性,甚至通過生物富集、食物鏈傳播等對人類的生命健康帶來風險。

乳油中芳烴類有機溶劑可以破壞人體和哺乳動物生理機能,干擾生命活動,對其健康危害嚴重。苯、甲苯對中樞神經系統的毒性最大,長時期低濃度接觸會導致慢性中毒,損害造血系統的功能,而二甲苯的毒性盡管略低,但同樣也不容輕視。Reséndiz等發現苯、甲苯和間二甲苯對大鼠急性神經行為有影響,可引發小鼠產生類似焦慮的行為、對其學習能力和運動協調能力均有影響。Eddleston等選擇在組織學、解剖學和生理學上和人類非常接近的哥廷根小型豬作為模式物種進行研究,表明40%樂果乳油中的溶劑環己酮對哺乳動物的毒性較高。

芳烴類有機溶劑對水生生物也具有一定的毒性。高士博等發現,芳烴類溶劑可以影響底棲生物類群仿刺參過氧化氫酶(CAT)基因的表達和酶活性的變化。Cheng等發現,苯、甲苯、乙苯、二甲苯及其混合物,在 0.005～5 µmol/L較低的濃度范圍內,均以劑量反應關系抑制水生生物纖細裸藻Euglena gracilis細胞的生長,改變細胞形態,形成脂褐素并降低葉綠素含量,因此纖細裸藻也可作為監測地下水苯、甲苯、乙苯、二甲苯含量的模式生物。

一些有機溶劑還會對傳粉昆蟲造成不利影響。Mullin等綜述了農藥制劑對蜜蜂的毒性,提到農藥乳油中常使用的極性溶劑N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)對蜜蜂幼蟲的毒性極大。李新揚研究發現,阿維菌素原藥對小麥幼苗葉綠素含量、有機物含量、MDA和活性氧清除酶活性無明顯影響,而2%阿維菌素乳油和二甲苯則對小麥幼苗的毒害作用明顯。

2.3 乳油問題的改進措施
為使農藥向精細化、安全化、高質量方向發展,針對乳油中有害有機溶劑的問題,本文提出以下建議：1)發展高濃度乳油,減少助劑的使用量；2)采用安全性高的環境友好型溶劑替代乳油中的有害有機溶劑；3)開發水基化劑型或固態劑型替代乳油劑型。其中,采用環境友好溶劑替代乳油中的有害有機溶劑可顯著降低傳統乳油的毒性,同時這些溶劑具有對農藥有效成分的較高溶解度,且不影響藥效,作為替代溶劑可行性較高,因此,與上述其他兩條改進措施相比,尋找環境友好溶劑替代有害有機溶劑來解決乳油問題具有更好的可行性。

3、乳油替代溶劑的種類及研究進展

 
乳油中的有害有機溶劑可以用具有相似性能的環境友好溶劑替代。到目前為止,經過研究篩選出的可以替代芳香烴類有機溶劑的溶劑主要包括生物源溶劑、礦物源溶劑和人工合成溶劑等三大類,其中人工合成溶劑中的低共熔溶劑,由于不具有可燃性、揮發性,且溶解性好,在替代乳油中有害有機溶劑方面具有很好的潛力。

3.1 生物源溶劑

生物源溶劑主要是指從動植物中提取的低毒類天然產物,原料易得,可生物降解,對環境污染較小。主要分為植物油類溶劑、植物精油和松樹油類溶劑。這些溶劑種類繁多,在替代乳油中有害有機溶劑方面的應用已逐年增加。

植物油類溶劑,又可分為植物油和改性的植物油。植物油的主要成分為脂肪酸甘油三脂,如大豆油、玉米油等,這類溶劑成本低,對環境安全,但溶解性和穩定性較差,可以對其進行甲酯化或甲基化改性,顯著提高其對農藥的溶解性,有些還具有增效作用。例如生物柴油的主要成分為脂肪酸甲酯,可通過動植物油脂與甲醇酯交換反應得到,屬于改性的植物油,是一種相對環保的溶劑。劉躍群等探究了以生物柴油為溶劑配制5%精喹禾靈乳油的效果,發現在使用劑量為有效成分2 g/hm2 時生物柴油配制的乳油防效甚至會略高于二甲苯為溶劑的乳油。Chin等將毒死蜱與生物柴油、助溶劑、表面活性劑混合,制備了40.8%毒死蜱乳油,與商品化41.1%毒死蜱乳油制劑相比,性能和藥效幾乎沒有差別,另外,生物柴油由于揮發性低,還可以減少毒死蜱揮發產生的異味。甲酯化的植物油乳油雖然藥效較好,但和傳統的有機溶劑相比,與有些農藥有效成分互溶性差,且成本偏高。

植物精油類溶劑,可通過水蒸氣蒸餾法從植物的葉、花、果實或芳香植物的其他部分中提取得到,且有些植物精油對害蟲和植物病原真菌還具有一定的生物活性。為篩選可以替代魚藤酮乳油中二甲苯的植物精油類溶劑,Wen等比較了樟腦油、丁香油、桂皮油等27種商品化植物精油的生物毒性及對魚藤酮的溶解度。結果發現,魚藤酮在桂皮油中的溶解度為15.84 g/100 g,是二甲苯中溶解度的4倍多,同時桂皮油與魚藤酮還具有良好的協同活性,混合物處理24h 后,對斜紋夜蛾細胞及其3齡幼蟲的共毒系數分別可高達240.75和166.23,表明桂皮油可以作為魚藤酮乳油中二甲苯的替代品。

松樹油類溶劑包括松油、松節油、松脂基植物油等。其中,松脂基植物油是松樹油類溶劑的代表,主要由萜類

化合物及脂肪酸單烷基酯組成,其在各方面的性能與芳烴類溶劑相當,是替代乳油中芳烴類有機溶劑的理想溶劑之一。龔寶金等發現,從松樹中提取一種松脂基植物油OD-1,閃點高,對甲氨基阿維菌素苯甲酸鹽(甲維鹽)的溶解性也較好。配制的2%甲維鹽乳油可以有效防治小菜蛾和甜菜夜蛾,且防效高于以苯為溶劑所制備的乳油。但松脂基植物油的適用性也具有特殊性,王文忠等發現,盡管松脂基植物油 ND-60對47種常用農藥的溶解性能優于二甲苯,但對多殺菌素和殺撲磷等15種農藥的溶解性能卻遠低于二甲苯,以其為溶劑配制稻瘟靈、三唑磷、氟硅唑、氟鈴脲等8種農藥乳油時,其冷貯、熱貯穩定性不合格。因此,松脂基植物油在乳油中的實際應用中還需進一步研究。

3.2  礦物源溶劑

礦物源溶劑是從石油中加工得到的芳烴類或烷烴類物質,包括礦物油、磺化煤油、溶劑油等。礦物油是由石油精煉所得液態烴的混合物,主要為飽和的環烷烴與鏈烷烴混合物,本身可作為農藥使用,具有防治介殼蟲、蚜蟲、螨蟲的殺蟲效果。磺化煤油由于毒性小、資源充足、環境相容性好,可以作為傳統乳油中芳烴溶劑的替代物。段文崗等開發了一系列以磺化煤油為芳烴溶劑替代物的農藥乳油制劑,包括丁硫克百威、高效氯氰菊酯、三唑酮、毒死蜱等。此外,埃森克美孚公司生產的高沸點重芳烴溶劑油,如 Solvesso-100(S-100)、Solvesso-150(S-150)和 Solvesso-200(S-200)系列溶劑等,閃點更高,分子質量較大,由于其毒性比甲苯、二甲苯低,且對多種農藥具有較好的溶解性能,因此可作為乳油中甲苯、二甲苯的替代品。劉金玲等比較了高沸點重芳烴溶劑油、二甲苯、生物質溶劑對不同農藥的溶解性能和配制成乳油的藥效,結果發現,高沸點重芳烴溶劑油與二甲苯的溶解性能相似,但其在40%的毒死蜱乳油、42%毒死蜱.噻嗪酮乳油、25%丙環唑乳油、8.8%精喹禾靈乳油的藥效明顯優于二甲苯體系,因此可替代農藥乳油中的二甲苯,具有一定的推廣使用價值。

3.3  人工合成溶劑

人工合成溶劑是通過人工合成的方法得到的對農藥溶解性能較高、低毒安全的有機溶劑,可替代農藥乳油中有害有機溶劑的使用。例如乙酸仲丁酯,可以通過乙酸與仲丁醇在硫酸存在下發生酯化反應得到,也可以通過乙酸與正丁烯發生加成反應獲得。乙酸仲丁酯的毒性遠低于二甲苯和甲苯,且價格低廉,與其他新型乳油替代溶劑礦物源和生物源溶劑相比,在溶解性能、成本等方面均有一定的優勢。張鵬等報道乙酸仲丁酯對高效氯氰菊酯、二甲戊靈、阿維菌素等均有較好的溶解性。又例如乙二醇二乙酸酯(EGDA),由于低毒,廣泛應用于油漆、涂料、黏合劑、化妝品、煙草等很多領域,作為新型環保乳油中的有機溶劑,可以克服芳烴溶劑的缺陷。Zhang等配制了以EGDA為溶劑的2.5%高效氯氟氰菊酯乳油,與二甲苯為溶劑所制備的乳油相比較,二者均具有較好的乳化性和穩定性,但相對來說,由于EGDA所配制的乳油閃點較高,表面張力和接觸角較小,使用過程中可以減少漂移,無論是運輸貯存的安全性,還是農藥利用率均有所提高,生物測定的結果顯示,EGDA乳油對水生生物的毒性低,對目標昆蟲防治效果較好。表明EGDA是一種很有潛力的油溶性農藥載體,可以改善農藥乳油的應用性能,降低其不良影響。

低共熔溶劑屬于人工合成溶劑,一般由兩種或兩種以上的組分通過攪拌加熱的方式組成。其中一種組分作為氫鍵受體(HBA),如季銨鹽、甜菜堿、氯化膽堿等；另一種組分作為氫鍵供體(HBD),包括尿素、酰胺、羧酸、多元醇等化合物。而全部由天然化合物(糖類、氨基酸類、膽堿類)組成的物質為天然低共熔溶劑。2003年,Abbott等制備了由氯化膽堿和尿素組成的物質,并首次提出低共熔溶劑的概念。低共熔溶劑熱穩定好、難揮發、導電性高、制備簡單、可生物降解、低毒、便宜。在室溫下大部分的低共熔溶劑為液體,符合作為替代溶劑的基本條件。另外,低共熔溶劑可以溶解多種無機物、金屬氧化物和難溶的有機物,在溶解藥物和纖維素、半纖維素等化合物方面均有研究,因此,將低共熔溶劑應用到農藥制劑領域中溶解難溶性農藥存在很大的可能性,作為綠色溶劑替代乳油中有機溶劑的使用,具有很好的應用前景,值得進一步深入開發研究。

4、采用熱力學模型預測篩選乳油中替代溶劑的應用前景

在進行乳油中有害有機溶劑替代物的選擇時,需要篩選出性能優異、對農藥溶解性好的綠色溶劑,由于備選物質種類繁多,僅依靠實驗手段會耗費大量的精力和時間,而熱力學模型及其代表COSMO-RS(Conductor-like Screening Model for Real Solvents)模型的迅速發展為替代乳油中有害有機溶劑的綠色溶劑快速篩選提供了可能。

4.1  熱力學模型
熱力學模型在化合物分子設計和混合物熱力學性質預測方面發揮著重要作用,基于經驗判斷和某些實驗數據,應用計算機模擬,通過確定的溶劑分子結構即可預測其在混合物中的活度系數、氣液相平衡、固液相平衡、液液相平衡等一系列熱力學性質,繼而對溶劑的萃取分離效果進行定性和定量的評價。常用的一些熱力學模型包括經典狀態方程、NRTL活度系數模型、UNIQUAC活度系數模型、UNIFAC模型等,這些模型具有不同的理論基礎,廣泛應用于混合物相平衡的模擬預測上。然而,這些熱力學模型在預測時需要大量實驗數據對參數進行擬合,因此,計算精度會因為數據量的限制致使結果并不理想,從而阻礙了預測模型的進一步推廣。

作者：中國農業大學理學院應用化學系 郭洋洋、劉豐茂、王娟、彭慶蓉